Comprensión del control de presión para cambios de carga

Jack L. Johnson, Educación Física

Aprendimos el mes pasado que el error de voltaje requerido a 5000 psi es de 0,5 V, que corresponde a 500 psi. Por lo tanto, el error debe ser menor a una presión de salida de 2500 psi por dos razones. Primero, el flujo es menor a 2500 psi que a 5000 psi. En segundo lugar, cuanto mayor sea la caída de presión a través de la válvula de control, menor será la apertura de flujo requerida. Esto plantea la pregunta: «¿Se puede convertir un regulador Tipo 0 en un regulador Tipo 1 para que el error de estado estable sea cero?»La respuesta es: Por supuesto, incorporando una variante de control integral a la electrónica.

Continuando con nuestro ejemplo, si la ganancia de extremo a extremo es de 5000 psi por salida de comando de 5,5 V, el sistema de circuito cerrado se calibra a 5000/5,5 o 909,09 psi/V. Entonces, si queremos una salida de 2500 psi, el voltaje de comando requerido debe ser de 2,75 V. Si el sensor es sustancialmente lineal y el flujo a través es laminar (lineal con el cambio de presión), esta relación se aplica a todos los niveles de presión deseados. Sin embargo, si el flujo no es laminar, se requiere un factor de calibración no lineal; en otras palabras, la relación presión/voltaje varía con el punto de ajuste.

¿Por qué utilizar el control integral?
El control integral nos permite hacer los cálculos en nuestra cabeza, pero agrega problemas de estabilidad. Esto dificulta la sintonización del bucle y aumenta el tiempo de estabilización. El control integral brinda otro beneficio más sutil. Los teóricos del control llaman a esto robustez. Con control integral, el sistema es más robusto que un sistema sin control integral.

Considere una situación en la que la circulación debe variar al azar. En un momento dado, el tráfico puede estar entre un valor mínimo y máximo determinado. En ausencia de control integral, el voltaje de comando correspondiente dará como resultado un factor de calibración en función del flujo. Pero el control integral se ajusta automáticamente de modo que el error de estado estable se reduce a cero. Por lo tanto, la presión/voltaje de salida permanece constante independientemente del flujo.

Control integral proporcional
PID (Proporcional, Integral, Derivativo) es un método de control clásico. Pero su primo más simple PI (Integral Proporcional) suele ser suficiente y más fácil de sintonizar. Se representa en forma de diagrama de bloques en la Figura 1.

Tenga en cuenta que la retroalimentación alrededor del integrador destruye su función integral pura, pero la retroalimentación alrededor del integrador no lo hace. El sistema de la Figura 1 no produce errores en estado estable y nos permite volver a un estado en el que la calibración del sensor de presión es también la calibración de todo el circuito de control de retroalimentación.

Un integrador no siempre es beneficioso si se especifica control integral para un sistema de flujo continuo, pero no hay flujo continuo. Se requiere una comprensión más profunda de la válvula de control para comprender cómo las perturbaciones pueden causar un desplazamiento cero en la válvula para crear errores.

Si se utiliza el control integral en este sistema, el diseñador debe esperar una mayor dificultad para ajustar el sistema y un mayor tiempo de estabilización. Aumentar el control integral aumentará el tiempo en aproximadamente un 33 % para que el lazo se estabilice cuando se ajusta al tiempo de establecimiento mínimo. Obtenga una idea del aumento del tiempo de asentamiento comparándolo con el tiempo transcurrido utilizando solo el control proporcional. Entonces, si solo ajustamos el tiempo de estabilización mínimo con control proporcional, podemos esperar que el tiempo de estabilización mínimo sea aproximadamente 1/3 más largo bajo control integral. Con una entrada escalonada, el tiempo de establecimiento no se puede acortar.

Consideraciones de carga adicionales
Si bien los volúmenes muertos con o sin flujo constituyen una gran parte del entorno de control de presión, existen otros que pueden ser más complejos. Por ejemplo, el control de presión se usa normalmente cuando la variable de control preferida es la fuerza de un cilindro o el par de un motor. La lógica detrás de este enfoque es que si el actuador tiene baja fricción, la modulación de la entrada o la presión diferencial dará como resultado una fuerza o un par de salida muy ajustados.

Para ilustrar el punto clave, considere que la presión en el cilindro debe controlarse a un nivel específico, como se muestra en el esquema simplificado de la Figura 2. La naturaleza de la carga determina si se controla la presión y cómo. Por ejemplo, si no hay carga en el cilindro, es imposible controlar la presión. Asimismo, si se va a usar el control de válvula, la válvula se abrirá en un intento de aumentar la presión al valor objetivo. Sin embargo, sin carga, el cilindro se extenderá, la válvula se abrirá más, la velocidad del cilindro aumentará, ¡pero la presión nunca aumentará!Claramente, un cilindro descargado no es candidato para el control de presión. El control de posición y velocidad es fácil de conseguir, pero ni la presión ni la fuerza.

Otros tipos de cargas se adaptan al control de presión. Considere una carga que se comporta como un resorte. Es decir, a medida que el cilindro se expande, el resorte se comprime y la fuerza requerida para mantener el cilindro sobre el resorte de compresión aumenta a medida que el cilindro se expande y disminuye a medida que el cilindro se retrae.

Considere reemplazar el cuadro etiquetado como Carga de reacción en la Figura 2 con un resorte que se comprime a medida que el cilindro se expande. A valores de presión de comando más bajos, la extensión del cilindro será leve. Pero una presión de comando más alta produce una mayor extensión del cilindro. De hecho, en tal sistema, cada nivel de presión da como resultado una compresión de resorte única y, por lo tanto, una posición de cilindro única. Puede parecer un sistema de control de posición, pero no lo es.

Control de cargas cambiantes
Un ejemplo útil que aparece a menudo en las máquinas de prueba de fatiga es el control de presión con un cilindro contra una carga de resorte, como se muestra en la Figura 3. Supongamos que tenemos que estudiar la flexión del bastidor de un camión o autobús. En una configuración simple, el marco está anclado en o cerca de cada extremo, y uno o dos cilindros se colocan en el centro o cerca, lo que permite que el marco se doble o doble.

Los resultados de la prueba de fatiga provienen de la tensión cíclica hacia arriba y hacia abajo, cambiando la carga en el marco, cambiando la flexión del marco y evaluando la capacidad del marco para mantener un nivel de carga cíclica específico. Si los dobleces, uniones o soldaduras carecen de la resistencia a la fatiga necesaria, aparecerán signos de falla por fatiga.

Tenga en cuenta que la carga del marco es un resorte. En lo que respecta al cilindro, es solo un resorte cuya fuerza varía con la cantidad de movimiento del cilindro. Claramente, la variable de control deseada aquí es la fuerza.

Sin embargo, el control de la presión suele ser menos costoso. Además, si la fricción del cilindro es baja, se puede producir un buen control de la fuerza. También debe quedar claro que al controlar la fuerza en lugar de la posición, la prueba se realiza bajo una carga especificada y controlada, no deflexión.

Con respecto al costo, el control de presión es generalmente menos costoso y menos problemático que el control de fuerza en las pruebas de fatiga, por al menos dos razones. El primero es el costo del transductor. Aunque ambos pueden ser tipos de galgas extensiométricas, los sensores de presión típicos son menos costosos que las celdas de carga típicas. En segundo lugar, en las pruebas de fatiga, no solo se prueba la muestra de prueba en millones de ciclos, sino que todo en el sistema de prueba también se cicla.

En lugar de usar un solo cilindro para aplicar una carga concentrada en un solo punto, las pruebas de fatiga a menudo se realizan usando múltiples cilindros para simular una carga distribuida en un área grande. Por ejemplo, considere un ala o un ala. En vuelo, las cargas alares son causadas por diferencias de presión de aire que se distribuyen más o menos uniformemente en toda el área del ala. Cuando se utilizan varios actuadores, si se controlan como lazos de posición, deben comunicarse entre sí a través de una conexión de carga común (ala). Es decir, cuando el accionador interior se mueve y desvía el ala, el ala desviada también tira del accionador exterior hacia fuera. Por tanto, el accionador exterior se convierte en parte de la carga del accionador interior. Esto a menudo se denomina diafonía, ya que un cilindro afecta la acción del otro.

Esto claramente no es lo que queremos. Todos los actuadores deben ejercer alguna carga positiva sobre la superficie aerodinámica al nivel experimentado en el vuelo real. Si se tira de cualquier actuador, el ala estará mal cargada. Se puede decir que el actuador exterior debe permanecer delante del actuador interior.

¿Cómo es esto más fácil de lograr?Considere que cada actuador tiene control de posición. Obviamente, todo el mundo tiene que ir gradualmente más lejos en la posición exterior que en la posición interior. Es difícil o imposible mantener una distribución de posición ordenada para cada actuador para garantizar que los actuadores produzcan la fuerza correcta.

En efecto, la fuerza es la variable controlada deseada. Por lo tanto, tiene sentido que la fuerza sea una cantidad medida, pero el control de presión ofrece algunas ventajas prácticas sobre el control de fuerza por las razones ya mencionadas. Entonces, el sistema final tiene múltiples actuadores, cada uno con una carrera proporcional a su distancia desde la raíz del ala, y cada uno con su propio nivel de presión o nivel de fuerza de salida. Por lo tanto, la posición del pistón del actuador es una variable dependiente, mientras que la carga sobre el ala se controla completamente como una variable independiente. Cada cilindro se moverá a cualquier posición requerida para acomodar el nivel de presión o fuerza ordenado.

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palabras del autor

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